某越野車外覆蓋件抗凹分析自動化流程開發(fā)

王傳佩 肖介平 聶春紅 王勝男

摘要：

針對越野車外覆蓋件抗凹分析流程中考察點多、加載工況復(fù)雜、工作效率低的現(xiàn)狀，采用TCL/TK語言和基于HyperMesh前處理平臺，開發(fā)一套簡單、高效、便捷的可視化CAE抗凹分析自動化流程。該流程主界面簡單，可以按照需求自動完成網(wǎng)格細(xì)化、壓頭創(chuàng)建和工況分析，操作簡便。以某越野車發(fā)動機(jī)蓋抗凹分析為例，驗證該抗凹分析自動化流程的高效率和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：

發(fā)動機(jī)蓋; 抗凹分析; 自動化; TCL/TK; HyperMesh

中圖分類號：? TP391.92; U463.832

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

Development of automatic process for dent resistance analysis of offroad vehicle outer panel

WANG Chuanpei， XIAO Jieping， NIE Chunhong， WANG Shengnan

（BAIC Motor Group OffRaod Vehicle Company， Beijing 101300， China）

Abstract：

As to the issue that the inspection points number is large， the loading conditions are complex and the work efficiency is low in the dent resistance analysis process of the offroad vehicle outer panel， a set of visualization CAE dent resistance analysis automation process is developed by using TCL/TK language and HyperMesh preprocessing platform， which is simple， efficient and convenient. The main interface and the operation of the process are simple， and it can automatically complete the mesh refinement， the indenter creation and the working conditions analysis according to the requirements. Taking the dent resistance analysis of an offroad vehicle hood as an example， the efficiency of the automatic process and the accuracy of the analysis results are verified.

Key words：

hood; dent resistance analysis; automation; TCL/TK; HyperMesh

0 引 言

汽車外覆蓋件的抗凹性能是整車外觀品質(zhì)最簡單直觀的反映。外覆蓋件主要包括車門外板、翼子板、側(cè)圍外板、機(jī)蓋外板、頂蓋外板和行李箱（或尾門）外板等?？拱夹阅芤话惆拱紕偠取⒖拱挤€(wěn)定性和殘余變形等。CAE技術(shù)已在各汽車企業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)可以將汽車研發(fā)中存在的問題暴露于物理樣件制造之前，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)費用。但是，在CAE結(jié)構(gòu)耐久仿真分析過程中，分析工況繁多、前處理用時長、重復(fù)操作多，導(dǎo)致CAE仿真分析效率較低，尤其在汽車外覆蓋件的CAE抗凹分析流程中表現(xiàn)特別明顯。[1]因此，在保證CAE仿真分析正確性和精確度的前提下，如何提高仿真分析效率是企業(yè)關(guān)注的重點問題之一。[24]目前，各企業(yè)在CAE汽車抗凹分析流程中主要存在以下問題：

（1）分析效率低。每個考察點都需要細(xì)化網(wǎng)格、創(chuàng)建指壓探頭、創(chuàng)建接觸關(guān)系等，約占用工程師整個分析時間的60%～80%。

（2）分析結(jié)果一致性差?？拱挤治隽鞒虩┈?，不同工程師對模型的處理不同，即使同一工程師兩次處理也不一定完全一致，導(dǎo)致結(jié)果沒有可比性，分析結(jié)果的一致性差。

（3）操作復(fù)雜。為提高抗凹分析效率，有些企業(yè)借助HyperWorks中的Processing Manager平臺開發(fā)抗凹分析系統(tǒng)[5]，但系統(tǒng)操作復(fù)雜、不易上手。

因此，本文擬開發(fā)一套簡單、高效、便捷的可視化CAE汽車抗凹分析自動化流程。該流程無縫集成到HyperMesh中，不僅可以提高抗凹分析效率、保證分析結(jié)果的一致性，而且簡單易用。

1 汽車抗凹分析自動化流程開發(fā)

開發(fā)抗凹分析自動化流程，就是將原有的分析流程通過自動化程序?qū)崿F(xiàn)。[6]本文采用TCL/TK語言、利用HyperMesh軟件進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。

1.1 語言環(huán)境

TCL語言與C++、Java語言相似，是一種腳本語言。與其他語言相比，TCL是一種解釋語言，其解釋器是C語言函數(shù)庫，可以很容易地整合到應(yīng)用程序中[5]，故將其選為開發(fā)語言。TK是用于開發(fā)圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）的應(yīng)用程序工具集，可協(xié)助TCL實現(xiàn)分析的可視化。

1.2 軟件平臺

HyperMesh軟件是Altair公司HyperWorks軟件的前處理模塊，各大汽車企業(yè)均有采用。該軟件是開放的CAE平臺，集成各種設(shè)計與分析工具，具有強(qiáng)大的開發(fā)功能和高度開放性。[7]為方便用戶二次開發(fā)，平臺提供豐富的內(nèi)置API函數(shù)。系統(tǒng)所涉及的程序均采用TCL語言編寫。

1.3 自動化流程系統(tǒng)開發(fā)

大部分企業(yè)有自定義的網(wǎng)格建模規(guī)范，并且HyperWorks已經(jīng)有專業(yè)的網(wǎng)格建模自動化平臺。本文開發(fā)的自動化流程主要完成網(wǎng)格建模后的前處理工作。

企業(yè)現(xiàn)有的抗凹分析流程見圖1。目前，在抗凹分析流程中，壓頭創(chuàng)建、網(wǎng)格細(xì)化、接觸定義和工況定義等重復(fù)工作較多，耗時較大且容易出錯，因此實現(xiàn)自動化流程尤為重要。在借鑒現(xiàn)有抗凹分析流程并重點考慮自動完成重復(fù)工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計抗凹分析自動化流程，見圖2。

1.4 抗凹分析自動化流程功能實現(xiàn)

1.4.1 主界面開發(fā)

利用HyperMesh中API的Utility Menu命令函數(shù)*createbutton（ ），快速開發(fā)抗凹分析主界面，見圖3。界面中的每個控件都可以調(diào)用后臺函數(shù)，以實現(xiàn)各自功能。Import按鈕可以調(diào)用平臺的模型導(dǎo)入功能，Export按鈕通過*feoutputwithdata（ ）將創(chuàng)建好的計算文件導(dǎo)出到目標(biāo)文件夾中。

計算文件導(dǎo)出函數(shù)代碼如下：

proc exportfunc { } {

set dir [tk_chooseDirectory initialdir ～ parent.abq_ dent title "Select Dir for Export *inp"] file mkdir $dir

set tamplate path"[hm_infoappinfo ALTAIR_HOME] /templates/feoutput/abaqus/standard.3d"

*retainmarkselections 0

*feoutputmergeincludefiles 0

*feoutputwithdata "$tamplatepath" "$dir/model.inp" 0 0 1 1 1}

1.4.2 自動網(wǎng)格細(xì)化

根據(jù)設(shè)計需要，選取外板薄弱部位作為考察點[8]。點擊Select nodes & Refine elems按鈕通過API的Modify函數(shù)*createmarkpanel（ ）選取考察點。逆時針選取3個點，以確定加載位置和加載方向。考察點周圍80×80范圍內(nèi)的單元網(wǎng)格會通過API的Modify函數(shù)*refineelementsbysize（ ）細(xì)化到目標(biāo)尺寸。

自動網(wǎng)格細(xì)化函數(shù)代碼如下：

proc refinemesh_func { nodelist systid dent_field } {

set node1 [lindex $nodelist 0]

set node2 [lindex $nodelist 1]

set node3 [lindex $nodelist 2]

hm_getcrossreferencedentities nodes $node1 7 1 0 0

set elems [hm_getmark elems 1]

if { ！[llength $elems] } { return ""}

hm_getcrossreferencedentitiesmark elems 1 7 2 0 0

set comps [hm_getmark comps 2]

set comps_2 $comps

if { ！[llength $comps_2] } { return ""}

set elemlist [ selectrefinearea $systid $comps_2 $dent_field ]

if { ！[llength $elemlist] } { return ""}

*elementtype 104 7

*refineelementsbysize 1 $dent：：elem_size

set elemlist [ selectrefinearea $systid $comps_2 $dent_field ]

*elementtype 104 1

return $comps_2}

1.4.3 自動創(chuàng)建壓頭

按鈕Dent resistance的主要功能是自動創(chuàng)建壓頭、自動建立接觸對和自動定義工況。利用API的Modify函數(shù)*surfacespherefromthreepoints（ ）自動創(chuàng)建半球形幾何壓頭，球心位于考察點法線方向、半徑為12.5 mm，見圖5。通過函數(shù)*automesh（ ）對創(chuàng)建的幾何壓頭自動劃分網(wǎng)格，見圖6。利用API的Modify函數(shù)*collectorcreate（ ）為壓頭自動創(chuàng)建材料和屬性。利用API的Modify函數(shù)*createmark（ ）和*interfacecreate（ ）自動創(chuàng)建壓頭與考察點細(xì)化網(wǎng)格的接觸對。

1.4.4 自動創(chuàng)建工況

通過API的Modify函數(shù)*collectorcreate（ ）和*loadcreateonentity_curve（ ）自動創(chuàng)建邊界約束和施加載荷力。抗凹分析的載荷從1 N逐漸增加到100 N，載荷曲線通過*xyplotmodifycurve（ ）自動生成，見圖7。

通過API的Modify函數(shù)*loadstepscreate（ ）自動創(chuàng)建抗凹加載工況和卸載工況，見圖8。

2 抗凹分析自動化流程應(yīng)用

以某非承載式越野車發(fā)動機(jī)蓋的抗凹分析為例（含2個加載點），約束發(fā)動機(jī)蓋鉸鏈和鎖鉤處的6個自由度，以半徑為12.5 mm的剛性半球為壓頭模擬人類手指按壓發(fā)動機(jī)蓋外板的工況，當(dāng)壓力達(dá)到100 N時，要求加載點最大變形小于3.500 mm[7]。

2.1 抗凹分析模擬

啟動HyperMesh軟件，抗凹分析自動化流程自動運行。單擊Utility中的User按鈕，即可進(jìn)入主界面。單擊Import按鈕，導(dǎo)入網(wǎng)格質(zhì)量良好的發(fā)動機(jī)蓋有限元模型。單擊Select nodes & Refine elems按鈕，逆時針選擇3個節(jié)點，網(wǎng)格細(xì)化尺寸設(shè)定為2 mm，結(jié)果見圖9。單擊Dent resistance按鈕，完成抗凹分析壓頭創(chuàng)建，見圖10。單擊Export按鈕導(dǎo)出計算模型。

2.2 抗凹分析結(jié)果

將導(dǎo)出的計算模型提交Abaqus軟件求解計算，得到發(fā)動機(jī)蓋考察點的位移云圖，見圖11?？疾禳c1在100 N壓力下的最大位移為3.125 mm;考察點2在100 N壓力下的最大位移為2.685 mm。

抗凹分析自動化流程是在現(xiàn)有抗凹分析流程的基礎(chǔ)上，將煩瑣的重復(fù)機(jī)械操作通過編寫的程序自動完成，分析結(jié)果較原抗凹分析流程沒有變化?？拱挤治鼋Y(jié)果與實驗結(jié)果對比見表1，仿真與實驗的力位移曲線見圖12。仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本相符，實驗值稍大于仿真值，驗證該抗凹分析自動化流程的可行性。

使用本文開發(fā)的抗凹分析自動化流程，工程師能在10 s內(nèi)完成考察點抗凹計算文件的創(chuàng)建，與原抗凹分析流程至少需要10 min相比，工作效率大大提高。

3 結(jié)束語

在借鑒現(xiàn)有抗凹分析流程并重點考慮自動完成重復(fù)工作的基礎(chǔ)上，開發(fā)新抗凹分析自動化流程。該流程可減少抗凹分析中重復(fù)性的工作，不僅可以保證抗凹分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且可以大大提高工作效率?？拱挤治鲎詣踊鞒滩僮鹘缑婧唵危词箾]有CAE分析經(jīng)驗的普通工作人員也可輕松掌握。該系統(tǒng)還能減少人為因素對分析結(jié)果的影響，保證分析結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。

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（編輯 武曉英）